Развитие нанотехнологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Муниципальное Автономное Образовательное Учреждение №6 им. А.Г. Муранова

Реферат

на тему: «Нанотехнологии»

Выполнила:

Ученица 11 класса

Пощенко А.А.

Новоалексеевская, 2021

Содержание

Введение

1. История развития нанотехнологий

2. Классификация нанотехнологии по характерическому размеру

3. Применение нанотехнологии

3.1 Нанотехнологии в медицине

3.2 Нанотехнологии в производстве и в строительстве

4. Экологические проблемы нанотехнологии

Список использованной литературы

Введение

Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны, но тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. И использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

Нанотехнология - следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств. Нанотехнологии - ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. Это «самые высокие» технологии, на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компьютеры в манипулировании информацией. Их развитие открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, а также новые открытия в химии и физике.

Актуальность исследования связана с развитием нанотехнологий и их воздействием на человека, общество и науку. Техника является фундаментальным фактором в развитии науки и общества. Однако развитие высоких технологий, в том числе, нанотехнологий в современном обществе может принести не только благо, но и создать ряд проблемных ситуаций, не наблюдавшихся ранее.

1. История развития нанотехнологий

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана, сделанным им в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап - полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов.

Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле - таким роботам нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота - принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.

2. Классификация нанотехнологии по характерическому размеру

Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:

1. наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);

2. нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);

3. наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).

С другой стороны, объектами нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

Нанотехнология - следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Наночастицы. Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 (свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса:

1.трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т.д.,

2. двумерные объекты - плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д.,

3. одномерные объекты - вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т.д.

Также существуют нанокомпозиты - материалы полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. Метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях.

Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии - супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров - белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы - структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков).

нанотехнология медицина экология

3. Применение нанотехнологии

3.1 Нанотехнологии в медицине

Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются почти во всем мире, за исключением большинства стран Африки и некоторых стран Южной Америки. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследованиями в области нанотехнологий занимаются несколько десятков лет. По отдельным направлениям российские ученые занимают приоритетные позиции в мире. В частности, в области метрологии российское предприятие НТ МДТ имеет уникальный опыт создания сканирующих зондовых микроскопов, имеющих атомарное разрешение. Отличительной особенностью этих приборов является не только пассивное получение сверхмощного увеличения изображений нанодиапазона, но и возможность конструирования различных наноструктур методами литографии (вырезания) и молекулярно-лучевой эпитаксии (наращивания). На рис. 4 представлен один из таких приборов и полученные им изображения некоторых структур и нанокомпонентов электронной техники.

Ученые, занимающиеся применением нанотехнологий в медицине, сообщают, что ими разработан способ очистки крови от токсинов в течение нескольких часов. Для это используются особые наномагниты. Каждый наномагнит имеет 30 нанометров в диаметре и одного грамма таких магнитов достаточно, чтобы очистить кровь одного человека от конкретного токсина за несколько часов.

Французские ученые изобрели наноматериал, за счет которого можно восстановить даже сильно поврежденные зубы. Пленкой из наноматериала можно обернуть больной зуб, который начнет восстанавливаться.

Наночастицы - перспективное лекарство против рака, так как они могут целенаправленно бороться именно с поврежденной тканью, минуя здоровую. Наночастицы могут служить транспортом для лекарств, принося активное вещество именно в зараженные места. Очередным шагом в разработке этой новейшей терапии стали успешные опыты излечения опухолей у лабораторных мышей с помощью радиоактивных золотых наночастиц.

В начале ученые подготовили золотые наночастицы, используя радиоактивный изотоп золота 198. Затем наночастицы были покрыты гликопротеином из гуммиарабика, для того, чтобы сделать наночастицы биосовместимыми и дать им возможность свободно двигаться в токе крови. Опыты, проведенные на мышах, показали, что после введения в кровь наночастицы концентрируются в привитых мышам тканях опухоли простаты человека, практически не передавая радиоактивность другим органам.

За мышами, получившими наночастицы, наблюдали в течение трех недель. К концу этого срока объем опухолей сократился на 82% по сравнению с животными, которые получали наночастицы без радиации. Кроме того, животные из первой группы не теряли веса в процессе наблюдения, в отличие от животных из второй группы. Также ученые проведи тесты крови мышей и не обнаружили признаков радиационного облучения.

Исследование профессора Яэль Ханин из Тель-Авивского университета электронной инженерии возвращает надежду людям, потерявшим зрение, позволяя присоединить электроды к нервам сетчатки для стимуляции роста клеточной ткани. Разработка уже успешно отработана на животных.

Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии непохожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отдходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах. Однако любой, даже самый мизерный программный сбой может оказаться для человечества фатальным.

Нанороботы - роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров. Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации - самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстовыводимые компоненты.

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман.

В 1991 профессор Суимо Лиджима разработал нанотрубки на основе фуллеренов. На их основе создаются материалы в десятки раз прочней стали. Также следует отметить американские разработки наноманипулятора, устройства, состыкованного с атомным микроскопом и управляемого.

Сфера применения нанроботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей - данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.

Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.

Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.

3.2 Нанотехнологии в производстве и в строительстве

На сегодняшний день с технологиями твердотельных источников света связывается будущее целого ряда секторов экономики. Основной привлекательной чертой светодиодных технологий является сочетание компактных размеров, высокой по сравнению с альтернативными технологическими решениями энергоэффективности, возможности быстрого управления свечением. Благодаря этим свойствам светодиоды находят применение в таких приложениях, как освещение (в качестве энергоэффективных источников света, готовых для интеллектуальных схем управления освещением) и отображение информации (в качестве индивидуальных индикаторов и дисплейных панелей как малого, так и большого размера).

Одним из важнейших социально-экономических эффектов масштабного использования светодиодных технологий является возможность радикального сокращения затрат электроэнергии на освещение, составляющих по различным оценкам до 18-20% всех затрат произведенной электроэнергии.

Основными направлениями технологического совершенствования неорганических светодиодов является повышение светоотдачи и срока службы при снижении стоимости. Решение этих задач предъявляет спрос как на инженерно-конструкторские разработки, так и на проведение ряда фундаментальных исследований.

В России наиболее распространены предприятия, осуществляющие сборку светодиодов на базе готовых светодиодных чипов, произведенных в основном

Использование элементов нанотехнологии в строительстве является новым витком в прогрессе производства высокотехнологичных и высококачественных строительных материалов. Интернет-источники сообщают о том, что на практике все более необходимыми становятся материалы, по своим свойствам превосходящие уже существующие. Таким образом, можно судить и о том, что возрастающие потребности современного строительного рынка диктуют необходимость внедрения инновационных разработок.

4. Экологические проблемы нанотехнологии

Одним из вопросов, которым задаются как ученые, так и обыватели, в особенности жители мегаполисов, является воздух, который мы вдыхаем. Ни для кого не секрет, что наличие гигантского количества заболеваний хроническим бронхитом и астмой, включая врожденные случаи данной болезни, объясняются токсическими и загрязненными выбросами в атмосферу промышленных предприятий и бытовых устройств.

В данной связи ученые проводят исследование поведения наночастиц в атмосфере и последствия их вдыхания человеком. В результате опытов над лабораторными грызунами была выявлена высокая чувствительность клеток эпителия дыхательной системы к наночастицам, которые накапливались в носовых путях подопытных животных, вызывая риниты и другие, более тяжелые заболевания.

Не меньшее внимание привлекает проблема влияния наноматериалов на окружающую среду. Так было проведено исследование о риске для окружающей среды пяти основных типов наноматериалов, включая нанотрубки, квантовые точки и бакиболы. Исследователи определяли различные типы рисков загрязнения для разных технологических операций, включая производство лекарств, очистку нефти. На основании полученых данных профессор по охране окружающей среды делает в статье вывод, что создание наноматериалов представляет меньший риск, чем текущие индустриальные процессы.

Наночастицы, попадающие в почву не причинят экосистеме никакого заметного вреда. Был проведен ряд опытов, в которых фуллерены помещали в различные виду почв и затем исследовали их поведение и их влияние на микроорганизмы и минеральные вещества. Фуллерены представляют собой каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Существенные изменения могли бы стать фатальными для элементов пищевых цепочек растений. Однако результаты наблюдений показали, что никакой негативной динамики не производит: микроорганизмы живут и здравствуют, баланс веществ не затронут.

Нанотехнологии, безусловно, способствуют техническому прогрессу человечества - ученые регулярно рапортуют о новых успехах, способных изменить жизнь и быт людей к лучшему. Разработанные с использованием нанотехнологий наночастицы могут помочь в лечении раковых заболеваний, Однако некоторые наночастицы, напротив, могут вызывать рак в организме человека. Наночастицы из диоксида титана (TiO2), которые сейчас встречаются во множестве продуктов, накапливаются в организме и приводят к системным генетическим повреждениям. Наночастицы из диоксида титана (TiO2) приводят к разрыву одно- и двухцепочечных ДНК, а также приводят к повреждению хромосом.

Попадая в организм титановые наночастицы накапливаются в различных органах, поскольку в организме нет механизмов их выведения. Вследствие своих малых размеров они легко проникают в клетки и начинают влиять на их элементы.

Масштабы использования наночастиц в производстве косметики растут с каждым годом, и, как считают производители, в этом нет ничего дурного. Иной позиции придерживаются некоторые экологи. Использование наночастиц в косметике не менее вредно, чем добавки мышьяка и свинца, полагают австралийские представители международной экологической организации «Друзья Земли». Во всех выбранных наугад тестовых

По последним наблюдениям американских ученых, в атмосфере нашей планеты уже находится значительное количество наночастиц, невидимых глазом, но могущих оказать влияние на погодные процессы.

Количество наночастиц в разных частях света увеличивается, но почему это происходит остается загадкой. Ученые занимались вопросом того, как образуются наночастицы и каким образом происходит увеличение их количества, когда они вступают во взаимодействия с различными органическими испарениями.

Однако, им удалось выяснить, что некоторые виды органики быстро растут в атмосфере. Собираясь в больших количествах, они отражают солнечный свет назад в космос - своего рода обратный парниковый эффект. Кроме того, отмечают ученые, распространение наночастиц в воздухе может обострить такие заболевания, как астму, эмфизему и другие легочные заболевания.

Список использованной литературы

1. М.В. Алфимов. Научно-технический журнал «Российские нанотехнологии», том 5, №9-10 2010 г.

2. Научно-информационный портал по нанотехнологиям,

Размещено на Allbest.ru